Suspensión Activa

INTRODUCCIÓN El sistema de suspensión del automóvil es el encargado de mantener las ruedas en contacto con el suelo, absorbiendo las vibraciones, y movimiento provocados por las ruedas en el desplazamiento de automóvil, para que estos golpes no sean transmitidos al  bastidor. Es por esta razón, que este sistema en particular ha evolucionado con el transcurso de los años en sistemas cada vez más modernos modernos y eficientes tal es el caso de la suspensión activa. Aunque sus inicios se remontan a los primero años de la década del 80, cuando la escudería Lotus de formula 1 comenzó a experimentar con suspensiones activas en el T92, no fue sino hasta la década del 90 cuando realmente se convirtieron en algo práctico y viable. Las suspensiones activas y semiactivas consisten en un sistema de lazo cerrado con retroalimentación. En las Activas

no hay muelle ni amortiguador. Un actuador

hidráulico genera fuerzas fuerzas para compensar el balanceo y cabeceo del vehículo, vehículo, mientras que un computador electrónico se encarga de monitorizar constantemente (gracias a los diversos sensores), el perfil de la carretera y envía señales eléctricas a las suspensiones delantera y trasera. Aquí será donde donde los componentes hidráulicos, que consiste en bombas, actuadores y servoválvulas, actuarán manteniendo un nivel máximo de estabilidad.

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL HIDRÁULICO DE LA SUSPENSIÓN ACTIVA

Descripción del sistema de suspensión activa. Componentes básicos del sistema de control hidráulico. Comparación entre los sistemas de suspensión activa y convencional. Comprobaciones y diagnósti diagnóstico co del sistem sistema a hidrául hidráulico. ico.

CAPITULO I

DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE SUSPENSIÓN ACTIVA 1.1 EL AMORTIGUADOR. La suspensión de un automóvil tiene como objetivo principal absorber las oscilaciones producidas al transitar sobre una superficie y garantizar el contacto continuo del neumático con dicha superficie. Las funciones básicas se resumen en: 1. Reducción de fuerzas causadas por irregularidades del terreno. 2. Control de la dirección del automóvil. 3. Mantener la adherencia de los neumáticos con la carretera. 4. Mantener una correcta alineación de las ruedas. 5. Soportar la carga del automóvil. 6. Mantener la altura optima de la carrocería con respecto al suelo.

 Figura 1-1. Disposición del sistema de suspensión convencional (Renault Laguna).

El comportamiento del automóvil durante la marcha se vera determinado en gran medida por el tipo de suspensión que lleve, por ejemplo mediante su reglaje es posible variar las características las cuales pueden ser: subviraje o sobreviraje.

El peso del automóvil se descompone en dos partes denominadas:

a) Masa suspendida:  La integrada por todos los elementos cuyo peso es soportado por el bastidor o chasis (carrocería, motor, sistema de transmisión cabina, etc.).

b) Masa no suspendida : Conformada por los elementos del automóvil que se encuentran en contacto con la superficie de apoyo (sistema de frenos, neumáticos etc.). La unión de ambos sistemas de masas lo realiza el conjunto de suspensión, el mismo que se encuentra compuesto por un elemento elásticos (ballestas, muelles helicoidales, barras de torsión etc.) y otro de amortiguación (amortiguadores), cuya misión es absorber las oscilaciones de las masas suspendidas causadas por el elemento elástico al adaptarse a las irregularidades del terreno transformando la energía que almacena el resorte en calor.

1.2 SISTEMAS DE SUSPENSIÓN CONVENCIONALES. Los primeros sistemas utilizaban simplemente hojas de acero curvas denominadas  ballestas como elemento elástico y con un pequeño poder amortiguante.

 Figura 1-2. Ballesta Primitiva.

Hoy en día se continúa el empleo de estos sistemas pero como elemento de un conjunto en que se incorpora modernos amortiguadores, su uso se restringe a automóviles  pesados, camiones, camionetas, todo terreno.

 Figura 1-3. Ballesta como Elemento Elástico.

1.3 AMORTIGUADORES DE FRICCIÓN.

 Figura1- 4. Amortiguador de fricción.

Constan de dos simples brazos unidos mediante un tornillo con un disco de fricción entre ellos la resistencia se cambia actuando sobre el tornillo ajustando o aflojándolo, este tipo de amortiguador no era muy duradero y su funcionamiento no era el ideal.

1.4 AMORTIGUADORES HIDRÁULICOS. Actualmente se promueve la implementación de amortiguadores hidráulicos en los que se destacan los de tipo telescópico, estos constan de un pistón que se desplaza dentro de un cilindro en el que hay aceite. En el pistón existen una serie de orificios y válvulas  precomprimidas que permiten el paso de aceite de una a otra parte del pistón cuando la  presión supera un valor dado. Los orificios representan un paso permanente que restringe el flujo de caudal, en el caso de las válvulas de apertura de presión es necesaria una determinada presión sobre ellas para que se abran y a medida que aumenta la presión la apertura es mayor. Lo normal en el diseño de este tipo de amortiguador es que las válvulas de extensión y compresión sean diferentes lo que permite que el esfuerzo en compresión sea menor para una misma velocidad, para los automóviles de carretera se requiere utilizar una característica de amortiguamiento mas blanda en compresión.

 Figura 1-5. Flujo de Aceite a través  del paso permanente

 Figura 1-6.

Flujo de Aceite a

través

 de las válvulas de apertura por presión.

Se pretende con esto evitar la transmisión de grandes fuerzas de transmisión a través del amortiguador que se generarían en el mismo cuando el neumático se encuentre con un obstáculo.

 Figura 1-6. Diagrama Fuerza Velocidad de un amortiguador regulable.

1.5 AMORTIGUADORES DE DOBLE TUBO. Son los más comunes en la actualidad, los mismos se presentan en dos tipos:

a) No Presurizados.- Los que trabajan con un fluido (aceite). b) Presurizados.- Los que trabajan con dos fluidos con un aceite y un gas. El funcionamiento de ambos tipos es similar.

 Figura 1-7.

Esquema completo de un

 amortiguador bitubo no presurizado.

 Figura 1-8.

Esquema completo de

un amortiguador bitubo presurizado.

1.6 TIPOS DE SUSPENSIÓN. La tecnología actual permite cubrir

las diferentes demandas del sistema de

suspensión mediante la implementación de tres familias de sistemas de suspensión: 

La suspensión pasiva.



La suspensión semiactiva.



La suspensión activa.

1.6.1 LA SUSPENSIÓN PASIVA. El sistema de suspensión debe compensar los movimientos no deseados del vehiculo causados por la calzado y maniobras de conducción, además de garantizar que los neumáticos tengan siempre el mejor contacto con la calzada de forma que la transmisión de fuerza entre el vehiculo y la superficie de circulación sea optimo. Actualmente predomina el empleo de suspensiones y amortiguadores convencionales llamados sistemas pasivos.

1.6.2 LA SUSPENSIÓN SEMIACTIVA. Mediante la utilización de sistemas de regulación se logra variar los mecanismos de suspensión y amortiguación para adaptarse a las necesidades de uso del conductor ya sea en la conducción del tipo deportivo o en la preferencia al confort. Se habla de mecanismos de suspensión regulados cuando se emplean componentes regulables que  pueden estar asistidos por la electrónica: como sensores, módulos de control, etc.

 Figura 1-9. Esquematización de un tipo de suspensión semiactiva.

Estos sistemas no necesitan de alimentación externa. En la figura se presenta un modelo de suspensión pilotada, controlada electrónicamente que posee dos funciones distintas e interdependientes:

 Figura 1-10. Suspensión pilotada.

Funciones. Amortiguación variable según tres leyes: deportiva, media, confort. Corrección de la altura bajo casco.

Amortiguación Variable. En modo automático, el sistema hace intervenir las tres leyes de amortiguación. 1- Deportiva que favorece un comportamiento duro mas eficaz en seguridad activa. 2- Media, amortiguación de tipo clásica. 3- Confort que proporciona una amortiguación blanda. El paso de una ley a otra en la configuración automática se realiza aproximadamente a 40 milisegundos. Tecnológicamente el sistema se encuentra compuesto por:

Cuatro amortiguadores pilotados bitubo con dos válvulas en derivación entre la cámara de trabajo y la de compensación cada compuerta de la válvula esta activada por una electroválvula la misma que esta controlada por el modulo central.

 Figura 1-11. Amortiguador pilotado correspondiente a un automóvil Renault Safrane

Posee un modulo central (electrónico) que gobiernan las válvulas en función de la información que recibe de los diferentes captadores. 

Tres captadores de aceleración, un captador de aceleración longitudinal, un captador de aceleración vertical, un captador de ángulo y velocidad del volante.

1.6.3 LA SUSPENSIÓN ACTIVA. Para un mejor desempeño del mecanismo de suspensión con respecto a la superficie de contacto, a la velocidad, la manera de conducir y otros factores, solo se pude lograr mediante una regulación que actuara sobre cada rueda y que sea rápida y constante.

Los sistemas de suspensión activa se caracterizan por el hecho de que todas o  partes de las fuerzas de suspensión son generadas por actuadores que necesitan de un canal de energía externa figura 1-24 .

 Figura 1-24. Esquematización del principio de funcionamiento de una Suspensión Activa.

Un ejemplo se tiene en el sistema de suspensión hidroneumática de control activo del balanceo. El sistema de suspensión activa se presenta como la respuesta a la necesidad de desarrollar automóviles seguros y capaces de combinar elevados niveles de confort, control y maniobrabilidad. Este sistema resuelve el clásico conflicto entre confort y estabilidad, manteniendo un contacto suficiente entre neumáticos y eliminando tanto el  balanceo en curva como el cabeceo en la frenada.

 Figura 1-25. Componentes del sistema de suspensión activa

El sistema se compone de actuadores hidráulicos que reemplazan en algunos casos al conjunto muelle-amortiguador de cada rueda, junto con bombas, sensores, servo válvulas y la unidad de control electrónico. Esta unidad monitorea constantemente el perfil de la carretera y envía señales eléctricas que controlan las suspensiones delantera y trasera. De esta forma, con el sistema de suspensión activa se consigue que el comportamiento de la suspensión sea el apropiado para cada circunstancia de la conducción.

 Figura 1-26. Acción del sistema de suspensión activa

Cuando un automóvil con suspensión activa toma una curva, el sistema limita la inclinación de la carrocería, permitiendo un mejor control del automóvil al evitar el movimiento de su centro de gravedad. Además, este sistema permite controlar el reparto de carga entre los ejes delanteros y traseros del automóvil, distribuyendo las fuerzas en la suspensión de cada rueda para que el automóvil mantenga una altura fija y nivelada sin importar su nivel de carga. Por otro lado, este sistema también permite mejorar la adherencia de cada neumático al asfalto, con lo que aumenta la capacidad de maniobrabilidad del automóvil y su nivel de seguridad activa.

1.7 EL MÓDULO PEDAL ACELERADOR. consta de:  El

pedal acelerador.

 El

transmisor 1 para posición del acelerador.

 El

transmisor 2 para posición del acelerador.

Se emplean dos transmisores, para contar con los máximos niveles de fiabilidad  posibles. A este respecto también se habla de sistemas redundantes. Redundancia significa “sobra o demasiada abundancia de cualquier cosa o en cualquier línea“. En términos de la técnica, esto significa que, por ejemplo, una información está disponible más veces de las que son necesarias para la función en cuestión. A través de las señales procedentes de ambos transmisores de posición del acelerador, la unidad de control del motor detecta la posición momentánea del pedal acelerador. Ambos transmisores son potenciómetros variables, que van fijados en un eje compartido. Con cada modificación que experimenta la posición del acelerador, varían las resistencias de los potenciómetros de cursor variable y las tensiones que transmiten a la unidad de control.

 Figura 1-12. Captador del pedal del acelerador.

1.8 SENSOR DE ACELERACIÓN TRANSVERSAL. Mide la aceleración transversal en curvas. Esta colocado cerca del centro de gravedad del automóvil.

 Figura 1-13. Sensor de aceleración transversal.

Funciona como un par de condensadores variables. La variación de distancia entre  placas del condensador hace variar su capacidad. La central de control recibe esta señal. Esta polarizado con 5 V por la unidad de control. La señal varía entre 0 y 5 V, siendo de 2,5 cuando no hay giro

 Figura 1-14. Principio de Funcionamiento del sensor de aceleración transversal.

1.9 SENSOR DE REVIRAJE (GIRO SOBRE EL EJE VERTICAL). Este sensor mide la magnitud de un giro sobre el eje vertical del automóvil (derrape). Esta formado por un diapasón doble como se muestra en la figura, excitado por una corriente alterna exterior. El diapasón superior vibra con una frecuencia de resonancia de 11 kHz, el inferior o de medición vibra con una frecuencia de resonancia de 11,33 khz. Mientras está excitado el diapasón superior, es más lento a reaccionar ante giros sobre su eje.

 Figura 1-15.

Sensor de reviraje.

Como se aprecia en la figura, un giro sobre el eje geométrico del automóvil  produce una deformación que es captada por el sensor. Esta polarizado con 5 V por la unidad de control. La señal varía entre 0 y 5 V, siendo de 2,5 cuando no hay giro

 Figura 1-16. Principio de funcionamiento del sensor de reviraje.

1.10 SENSOR DE GIRO DE DIRECCIÓN. Situado sobe la columna de dirección, transmite a la central de control la magnitud de ángulo de giro que el conductor gira el volante. Rango máximo = ±720°

 Figura 1-17. Ubicación del sensor del ángulo de giro de la dirección.

 Figura 1-18.

Constitución del mecanismo.

La señal emitida por este tipo de sensor es una onda cuadrada de frecuencia variable. Puede verse en las figuras el principio de funcionamiento simplificado.

 Figura 1-19. Principio de funcionamiento del sensor. 

Tres sensores de información, de la carga, velocidad y la eventual acción sobre el  pedal del freno.

1.11 SENSOR DE GIRO DE RUEDA. Es del tipo inductivo clásico con rueda dentada, uno en cada rueda. La frecuencia de la señal senoidal generada permite a la central de control calcular la aceleración de la rueda en cada instante.

 Figura 1-20. Señal del sensor.

1.12 SENSOR DE PRESIÓN DE FRENADO. Son dos sensores que miden la presión del fluido en los dos circuitos en diagonal, funcionan como condensadores variables, polarizados por 5 V por la central de control. La variación de la presión es medida como una variación de la capacidad y se envía a la central una señal desde 0 V hasta 5 V.

 Figura 1-21. Esquema de funcionamiento.

Un interruptor “automático o sport” que accione el conductor.

 Figura 1-22. Interruptor principal del sistema.

1.13 CORRECCIÓN DE LA ALTURA BAJO CASCO.

 Figura 1-23. Circuito de Corrección de Altura.

El sistema interviene sobre los dos trenes compensando automáticamente la carga, manteniendo el perfil de los trenes y posibilita todo el recorrido de la suspensión, también  permite mejorar la aerodinámica de marcha al rebajar la altura del vehiculo a cierta velocidad y un mejor comportamiento de ruta al reducir el centro de gravedad. El sistema ofrece tres tipos de alturas ya sea en su modo automático o manual.

a) Posición normal de referencia correspondiente a una altura a media carga de un vehiculo de suspensión clásica.

b) Posición baja, que disminuye unos 15 mm de la posición de referencia, en modo automático el sistema posibilita que baje, cuando el vehiculo circula a partir de 150 km/h en beneficio del consumo y del comportamiento en la autopista, recuperando su posición normal por debajo de los 80 km/h.

c) Una posición elevada de 30 mm con relaciona la de ref erencia. La función de corrección se realiza por medio de cuatro cojines neumáticos montados en la parte superior del amortiguador en paralelo con los muelles de suspensión. La regulación se realiza con la ayudad de tres captadores de altura y cinco electroválvulas neumáticas que controlan los cojinetes.

SENSORES DE ENTRADA: 

Captador de altura trasero derecho, trasero izquierdo.



Captador de la presión de aceite.



Contactor de freno.



Velocidad del vehiculo. Los mandos de las funciones se efectúan por los siguientes actuadores:



Cuatro válvulas de carga, una por cojín.



Una válvula de descarga para el conjunto de cojinetes.



Un grupo motocompresor.



Un cajetín electrónico.



Un interruptor eléctrico de control de la posición alta.

La velocidad de subida de la carrocería es de unos 3 mm/seg. y de 2 mm/seg. con carga, mientras que la bajada es de 1,5 mm/seg. en vació y de 3 mm/seg. con carga.

1.14 SISTEMAS DE SUSPENSIÓN HIDRONEUMÁTICA. La marca Citroën uno de los fabricantes con mayor interés en los sistemas de control de la suspensión de tipo hidráulico, sus principales dispositivos estabilizadores son: 

Suspensión hidroneumática (pasiva).



Suspensión hidractiva (semiactiva).



Suspensión de control Activo del Balanceo (activa).

1.15 SUSPENSIÓN HIDRONEUMÁTICA.

 Figura 1-27. Esquematización de una Suspensión Hidroneumática.

El principio de funcionamiento se basa en la utilización de unas esferas que tienen en su interior un gas (nitrógeno) que es compresible y que se encuentran situadas en cada una de las ruedas. La función que tiene este gas es la reemplazar al muelle y este es comprimido por la acción de un fluido hidráulico mineral (LHM) que recorre un circuito hidráulico que comunica a cada una de las ruedas.

1.16 SUSPENSIÓN HIDRACTIVA. A pesar de que los amortiguadores sirven para mejorar el comportamiento del vehiculo no es suficiente para controlar todos los aspectos dinámicos. Los amortiguadores influyen sobre las oscilaciones de la carrocería cuando los neumáticos se encuentran con una irregularidad u obstáculo en el camino, limitando estas oscilaciones. También controlan la velocidad de inclinación de la carrocería en uno u otro eje, pero no influyen en el grado total de balanceo ni en la distribución de los pesos en el viraje. Estos factores son fundamentales cuando se requiere de mayor adherencia y mejor comportamiento del vehiculo en maniobras de emergencia o conducción deportiva. Las suspensiones de tipo hidroneumática controladas por ordenador permiten variar la flexibilidad de las mismas, adaptándose a las condiciones de marcha y del tipo de

conducción del vehiculo, se logra controlando la inclinación de la carrocería a medida que surgen los obstáculos, cambia la velocidad se gira el volante o se accionan los frenos. El sistema permite:   Nivelar

uno o ambos ejes cuando se carga el vehiculo.



Reducir la altura de la carrocería para conducir a alta velocidad.



Incrementar o disminuir la altura cuando se transita por carreteras en mal estado. El sistema se caracteriza por permitir dispones de dos tipos de suspensión, una de

confort y cambiar a una suspensión mas rígidas cuando las condiciones de marcha así lo  precisen, para minimizar los esfuerzos de la carrocería en caso de golpes bruscos de volante, virajes cerrados, frenadas bruscas etc. Partiendo de una suspensión hidroneumática convencional a la cual se adicionan elementos hidráulicos controlados electrónicamente se logra un modelo de suspensión  pilotada denominada suspensión Hidroactiva o hidractiva. En el siguiente grafico se representa los componentes de esta suspensión controlada.

 Figura 1-28. Suspensión

hidractiva .

Los dos estados de conducción de “confort” y “sport” son determinados por un modulo o unidad de control que es el encargado de transmitir las ordenes necesarias después de recibir las señales de unos sensores sobre la información del estado de marcha. En el siguiente cuadro sinóptico se presentan las diferentes señales de entrada  procedentes de los sensores:

1.16.1 INTERRUPTOR DE MANDO. Permite al conductor imponer la posición “sport”, la posición del estado rígido, cuando el interruptor se encuentra en esta posición la unidad de control deja de activar la electroválvula cuando la velocidad del automóvil supera los 30 Km/h.

1.16.2 CAPTADOR DEL VOLANTE DE LA DIRECCIÓN. Proporciona las señales que determinan el ángulo y la velocidad del volante, cuando el modulo recibe estas señales las compara con los valores de umbral que guarda en la memoria. Cuando estos valores son superiores ordena el paso al estado rígido.

1.16.3 EL CAPTADOR DE LA VELOCIDAD DEL AUTOMÓVIL. Permite definir la velocidad del automóvil, se encuentra constituido por una sonda y un interfaz que calcula y determina la aceleración del automóvil deduciendo de esta la velocidad con respecto al tiempo.

1.16.4 EL

CAPTADOR

DEL

RECORRIDO

DEL

PEDAL

DEL

ACELERADOR. Se encarga de dar la posición del pedal del acelerador, se encuentra constituido  por una resistencia variable cuyo cursor es mandado por el pedal. El modulo toma las variaciones bruscas del pedal de aceleración para comandar el paso a la posición “rígida”.

1.16.5 CAPTADOR DE PRESIÓN DE LOS FRENOS. Determina un valor de presión superior al valor de referencia, se encuentra constituido por un monocontacto normalmente cerrado cuando se alcanza una presión de frenado mayor a 35 bares el contacto se abre, en este caso y a una velocidad superior a los 30 km/h la unidad de control ordena una suspensión rígida para evitar las variaciones del asentamiento longitudinal debidas a desplazamientos de masas.

1.16.6 CAPTADOR DEL DESPLAZAMIENTO DE LA CARROCERÍA. Permite definir la altura de la carrocería y los desplazamientos de la suspensión. Se trata de un captador óptico – electrónico formado por emisores y receptores ópticos entre los que se desplaza una corona fónica unida a la barra estabilizadora la rotación de esta es captada por el elemento óptico.